JP2024511753A - 高感度かつ低ゼロ磁場オフセットシフトを持つ磁気抵抗素子及び磁気センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高感度の磁気抵抗素子と、高磁場でも使用可能な磁気センサ装置を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子（２）は、固定された基準磁化（２１０）を持つ強磁性基準層（２１）と、自由な検知磁化（２３０）を持つ強磁性検知層（２３）との間に備わったトンネル障壁層（２２）を備える。検知磁化（２３０）は、強磁性材料組成と、印加磁場の非存在下で安定した渦構成とを備える。検知層（２３）の検知磁化（２３０）及び強磁性交換強度が、トンネル障壁層（２２）から離れているところよりも前記トンネル障壁層（２２）の近くで高くなるように、強磁性材料組成が、トンネル障壁層（２２）の近くで高い磁化を持つ組成から前記トンネル障壁層（２２）から離れるほど低い磁化を持つ組成まで、検知層（２３）の厚さにわたって変えてある。
Description
本発明は、外部磁場を検知するように適合され、広い線形応答と、磁気抵抗素子が高磁場にさらされた後も実質的に変化しない公称性能とを備える磁気抵抗素子に関する。本開示はさらに、前述の磁気抵抗素子を複数備える磁気センサ装置に関する。
従来の磁気抵抗センサ素子は、通常、基準磁化を備える強磁性基準層と、平均化された自由磁化を備える強磁性検知層と、基準強磁性層及び検知強磁性層の間のトンネル障壁層とを備える。基準磁化は実質的に乱されないままで、検知磁化が外部磁場中で配向できるようになっている。そのようにして、外部磁場は、磁気抵抗センサ素子の抵抗を計測することによって検知できる。抵抗値は、基準磁化に対する平均化された検知磁化の向きと大きさに依存する。
検知磁化は安定した渦構成を備え得る。渦構成では、磁化は、検知層の縁に沿って、外部磁場に従って可逆的に移動可能なコアの周りを円形経路で巻いている。渦構成は、磁気抵抗センサ素子の実用的なサイズと検知層の厚さに対して、外部磁場の大きなマグニチュード範囲において直線的で非ヒステリシス的な挙動を提供する。このように、渦構造は磁気センサ用途に有利である。
渦ベースの磁気抵抗センサは通常、低磁場、例えば１００ｍＴ以下の外部磁場で動作する。渦ベースの磁気抵抗センサの性能は、高磁場にさらされた後、しばしば変化する。なぜなら、そのような高磁場は、センサ自由層の磁化を十分に飽和させ、渦の構成がもはや存在しなくなるからである。この渦の消滅又は「追い出し」は、例えば、磁気信頼性試験でよく使用される２００ｍＴ超の磁場で発生する可能性がある。渦を利用した磁気抵抗センサがこのような高磁場にさらされると、低磁場におけるセンサの磁気配置の詳細が変更される可能性があり、そのため低磁場計測における精度を低下させるゼロ磁場オフセットシフトに悩まされる傾向がある。
本開示は、固定された基準磁化を備える強磁性基準層と、自由検知磁化を備える強磁性検知層との間に備わるトンネル障壁層を備える、磁気抵抗効果素子に関する。検知磁化は、強磁性材料組成を備え、印加磁場の非存在下で安定した渦構成を備える。強磁性材料組成は、検知層の検知磁化及び強磁性交換強度がトンネル障壁層から離れるよりもトンネル障壁層の近くで高くなるように、検知層の厚さにわたって変化する。
本開示はさらに、複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサ装置に関する。
当該技術分野で知られているものに関して、本明細書で開示する磁気抵抗素子は、高い感度を持ちながら、ゼロ磁場オフセットシフトが低減されている。この磁気センサ装置は、公称性能を大きく変化させることなく、高磁場に露呈可能である。
本発明の例示的な実施形態が、本明細書に開示され、図面によって示されている。
図１を参照すると、実施形態による磁気抵抗素子２が表されている。磁気抵抗素子２は、固定された基準磁化２１０を備える強磁性基準層２１と、自由な検知磁化２３０を備える強磁性検知層２３との間に備わるトンネル障壁層２２を備える。検知磁化２３０は、基準磁化２１０が実質的に乱されないまま、その平均磁化を外部磁場６０中で配向させられる外部磁場６０は、磁気抵抗センサ素子２の抵抗値を計測することで検知される。抵抗値は、基準磁化２１０に対する検知磁化２３０の平均配向に依存する。
好ましい１構成では、検知磁化２３０は、印加磁場の非存在下で安定した渦構成を備える。この渦構造は、検知層２３の縁に沿って、コア２３１の周りに円形の経路をたどる磁化で構成され、コアの位置は外部磁場６０に従って可逆的に移動可能である。磁気抵抗センサ素子２の所与の横方向寸法に対して、検知層２３の厚さは、検知層２３が印加磁場のない状態で安定した渦構成の磁化を備えるように選択される。
図１の例では、基準磁化２１０は、基準層２１の平面内で実質的に長手方向に配向している。磁気抵抗素子２は、基準層２１を交換結合するように構成された基準ピン止め層２５を備えてもよい。基準ピン止め層２５が存在する場合、基準磁化２１０の配向は、基準ピン止め層２５と基準層２１との間の交換結合（交換バイアスの発生）によって決定される。基準ピニング層２５は、反強磁性体（ＡＦＭ）を備え得る。基準層２１は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）を備え得る。
一実施形態では、検知層２３は強磁性材料を備える、又は強磁性材料で形成される。強磁性材料の化学組成は、トンネル障壁層２２に近い磁化の高い組成から、トンネル障壁層２２から離れた磁化の低い組成まで、検知層２３の厚さにわたって変化する。
強磁性材料の特定の化学組成は、高感度磁化２３０を提供する。ここで、「磁化」という表現は、「飽和磁化」又は「自発磁化」に対して区別なく使用され、飽和磁化は、最大誘導磁気モーメントの通常の意味を備える。高い検知磁化２３０をもたらす強磁性材料組成は、高い強磁性交換強度を提供する。強磁性交換強度は、検知磁化２３０を変化させることによって、ひいては強磁性材料の化学組成を変化させることによって調整できる。
検知層２３の厚さにわたって強磁性材料組成が変化することにより、検知層の厚さにわたって磁気特性が変化する。ここで、検知層２３は、検知層２３の検知磁化２３０及び強磁性交換強度が、トンネル障壁層２２から離れるよりもトンネル障壁層２２の近くで高くなるように構成されている。
図２に示される一観点では、強磁性材料組成は、検知層２３の厚さにわたって組成勾配を備える。組成勾配は、検知層２３の厚さにわたって線形又は非線形であり得る。ここで、検知層２３は、組成勾配を備える単一の層を備えるように形成し得る。
図３に示す別の観点では、検知層２３は多層構造を備える。多層構造は、トンネル障壁層２２に近く、高い磁化をもたらす化学組成を備える第１副層２３２ａを備え得る。多層構造は、トンネル障壁層２２から離れ、低い磁化をもたらす化学組成を備える第２副層２３２ｂをさらに備えてよい。
多層構造は、２つ以上の副層を備えてもよい。図４の例では、検知層２３は、トンネル障壁層２２に近く、高い磁化をもたらす化学組成を備える第１副層２３２ａを備える。検知層２３はさらに、トンネル障壁層２２から離れ、低磁化をもたらす化学組成を持つ第２副層２３２ｂを備える。中間副層２３２は、第１副層２３２ａ及び第２副層２３２ｂの間に含まれる。中間副層２３２は、副層の厚さにわたって変化するか又は一定である強磁性材料組成を備え得る。中間副層２３２の強磁性材料は、第１副層２３２ａの強磁性材料の磁化よりも低く、第２副層２３２ｂの磁化よりも高い磁化をもたらす化学組成を備え得る。
図５は、多層構造が、３つより多い副層２３２、２３２ａ、２３２ｂを備える検知層２３を示す。強磁性材料組成は、各副層２３２、２３２ａ、２３２ｂの厚さにわたって一定であり得る。このような構成では、トンネル障壁層２２に近い検知層２３の領域とトンネル障壁層２２から離れた検知層２３の領域との間の強磁性材料の化学組成の変化は、異なる副層２３２、２３２ａ、２３２ｂの間で強磁性材料の化学組成を変化させることによって得られる。代替的に、強磁性材料の化学組成を、各副層２３２、２３２ａ、２３２ｂの厚さにわたって、もしくは多層構造に備わる副層２３２、２３２ａ、２３２ｂのうちの１層の少なくとも厚さにわたって、変えてよい。
第１副層２３２ａ及び第２副層２３２ｂの各々は、副層２３２ａ、２３２ｂの厚さにわたって一定の組成を備え得る。ここで、強磁性材料の磁化の変動は、第１副層２３２ａがより高い磁化をもたらす化学組成を持ち、第２副層２３２ｂがより低い磁化をもたらす化学組成を備えることによって得られる。
代替的に、第１副層２３２ａ又は第２副層２３２ｂの少なくとも一方、もしくは第１副層２３２ａ及び第２副層２３２ｂの両方は、副層の厚さにわたって変調される強磁性材料組成を備え得る。
図１から図５では、トンネル障壁層２２に近い検知層２３の第１部分を数字２３ａで示し、トンネル障壁層２２から離れた検知層２３の第２部分２３ｂを数字２３ｂで示す。全ての構成において、強磁性材料の組成は、トンネル障壁層２２の近く（第１部分２３ａ）で高い磁化をもたらす組成から、トンネル障壁層２２から離れたところ（第２部分２３ｂ）で低い磁化をもたらす組成まで、検知層２３の厚さにわたって変えてある。
いくつかの実施形態では、検知層２３の第１部分２３ａにおける検知磁化２３０は、検知層２３の第２部分２３ｂにおける検知磁化２３０よりも少なくとも３０％高い。第１及び第２部分２３ａ、２３ｂは、検知層２３の厚さの約３分の１に対応し得る。（図１から図５の例示的な構成のような）検知層２３の構成に応じて、第１及び第２部分２３ａ、２３ｂは、単層で構成され得るか、又は検知層２３の多層構造の１層より多い副層のうちの１層を包含し得る。
いくつかの実施形態では、基準層及び検知層２１、２３は、コバルト（「Ｃｏ」）、鉄（「Ｆｅ」）又はニッケル（「Ｎｉ」）ベースの合金、優先的にはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢベースの合金のような強磁性材料を備え得るか、又はそれら強磁性材料で形成され得る。基準層２１は、２ｎｍから１０ｎｍの間の厚さを備え得る。基準及び検知磁化２１０、２３０は、層２１、２３の平面に実質的に平行（図１に示すように面内）であることと、層２１、２３の平面に実質的に垂直（面外）であることとの少なくとも一方である磁気異方性を持ち得る。
トンネル障壁２２は絶縁材料を備え得る。好適な絶縁材料としては、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）などの酸化物が挙げられる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍのようなｎｍの範囲にできる。
好ましい１実施形態では、検知層２３は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢをベースとする合金の単独又は組み合わせを含む強磁性材料を備えるか、又はそれらから形成される。
一実施形態では、強磁性材料はＣｏＦｅとＮｉＦｅ基合金を含む混合物を備え、ＮｉＦｅに対するＣｏＦｅの濃度がトンネル障壁層２２の近くで高く、トンネル障壁層２２から離れると低くなる。一観点では、検知層２３は、強磁性材料組成が、トンネル障壁層２２の近傍ではＮｉＦｅ基合金の濃度よりも高いＣｏＦｅ基合金の濃度から、トンネル障壁層２２から離れるとＮｉＦｅ基合金の濃度よりも低いＣｏＦｅ基合金の濃度まで、検知層２３の厚さにわたって変化するように構成できる。別の観点では、ＮｉＦｅに対するＣｏＦｅの濃度は、第１部分２３ａにおいてより高く、第２部分２３ｂにおいてより低くできる。一観点では、第１部分２３ａの強磁性材料組成は、少なくとも９５体積％のＣｏＦｅ系合金を備え得、第２部分２３ｂは、少なくとも９５体積％のＮｉＦｅ系合金を備え得る。さらなる観点では、第１部分２３ａは、検知層２３の厚さの約７５％の厚さを備えてよく、第２部分２３ｂは、検知層２３の厚さの約２５％の厚さを備える。第１部分２３ａと第２部分２３ｂとの異なる厚さの比もまた企図され得る。
再び図２を参照すると、磁気抵抗素子２は、検知層２３とトンネル障壁層２２との間に界面層２４を備え得る。界面層２４は、磁気抵抗素子２のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を増加させるように構成される。より詳細には、界面層２４は、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ合金を備え、１ｎｍから３ｎｍの間の厚さを備え得る。好ましくは、トンネル障壁層２２はＭｇＯを備える。
図６は、横方向寸法（直径）が４５０ｎｍで、ＭｇＯトンネル障壁層２２、ＳＡＦ構造を備える基準層２１、及び面内参照磁化２１０を備える磁気抵抗効果素子について計測した実験データを報告している。基準磁化２１０は反強磁性層２５によって固定されている。計測は、検知層２３の厚さにわたって一定の強磁性材料組成を持ち、５０体積％のＣｏＦｅ及びＮｉＦｅをベースとする合金（Ａ）又は７５体積％のＣｏＦｅ及びＮｉＦｅをベースとする合金（Ｂ）を備える検知層２３について実施された。計測は、検知層２３の厚さにわたって強磁性材料組成を変化させ、トンネル障壁層２２の近傍にＣｏＦｅ（Ｃ）を７５体積％備える検知層２３についても行った。
図６は、ＮｉＦｅ基合金の体積割合に対してＣｏＦｅ基合金の体積割合が増加すると、感度が全検知磁化２３０とともに減少することを示している。層厚にわたって一定の強磁性材料組成を持ち、７５体積％のＣｏＦｅ基合金を備える検知層２３の場合、約１．７５ｍＶ／Ｖ／ｍＴの感度と、５ｍＶ／Ｖを中心とするオフセットシフトが計測された。検知層２３が、層厚にわたって変化する強磁性材料組成を持ち、第１部分２３ａが約７５体積％のＣｏＦｅの強磁性材料組成を備える場合、層厚にわたって一定の強磁性材料組成を持ち、７５体積％のＣｏＦｅベースの合金を備える場合に計測された感度と同様の感度が計測される。しかし、はるかに低いオフセットシフト（０ｍＶ／Ｖ付近を中心とする）が計測される。
検知層２３の厚さにわたって変えてある強磁性材料の組成を備える検知層２３は、種々の製造方法を用いて得られる。例えば、検知層２３は、連続的な合金化、多層膜の形成、非磁性材料との合金化又は積層化、非磁性材料との合金化又は積層化のような積層化と合金化の組み合わせを使用して形成できる。検知磁化２３０及び強磁性交換強度を低下させる１つの方法は、非磁性遷移金属による強磁性材料の希釈である。検知層２３の厚さにわたる強磁性材料の組成勾配は、厚さにわたる希釈の勾配を持つ単相強磁性材料内に得られる。検知層２３の好ましい製造方法には、積層及び共析が含まれる。
堆積法には、化学気相成長法（ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなど）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）、スパッタリング法（ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリングなど）が含まれる。
図７に示す実施形態では、磁気センサ装置５０は、複数の磁気抵抗素子２を備える。図には、磁気センサ装置５０がフルブリッジ構成で配置されているが、磁気センサ装置５０の他の構成、例えばハーフブリッジも考えられる。
本明細書で開示する磁気抵抗素子２は、良好な感度を持ちながら、ゼロ磁場オフセットシフトが低減されている。磁気抵抗素子２は、磁気センサ装置が高磁場にさらされた後でも、低減されたゼロ磁場オフセットシフトを備える磁気センサ装置に有利に使用できる。例えば、磁気センサ装置は、その公称性能を大きく変化させることなく、磁気信頼性試験中に使用される２００ｍＴを超える磁場のような高磁場に露呈可能である。
２ 磁気抵抗素子
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層
２３ａ 検知層の第１部分
２３ｂ 検知層の第２部分
２３０ 検知磁化
２３１ コア
２３２ 副層
２３２ａ、２３２ｂ 副層
２４ 界面層
２５ 反強磁性層
５０ 磁気センサ装置
６０ 外部磁場
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層
２３ａ 検知層の第１部分
２３ｂ 検知層の第２部分
２３０ 検知磁化
２３１ コア
２３２ 副層
２３２ａ、２３２ｂ 副層
２４ 界面層
２５ 反強磁性層
５０ 磁気センサ装置
６０ 外部磁場
本発明は、外部磁場を検知するように適合され、広い線形応答と、磁気抵抗素子が高磁場にさらされた後も実質的に変化しない公称性能とを備える磁気抵抗素子に関する。本開示はさらに、前述の磁気抵抗素子を複数備える磁気センサ装置に関する。
従来の磁気抵抗センサ素子は、通常、基準磁化を備える強磁性基準層と、平均化された自由磁化を備える強磁性検知層と、基準強磁性層及び検知強磁性層の間のトンネル障壁層とを備える。基準磁化は実質的に乱されないままで、検知磁化が外部磁場中で配向できるようになっている。そのようにして、外部磁場は、磁気抵抗センサ素子の抵抗を計測することによって検知できる。抵抗値は、基準磁化に対する平均化された検知磁化の向きと大きさに依存する。
検知磁化は安定した渦構成を備え得る。渦構成では、磁化は、検知層の縁に沿って、外部磁場に従って可逆的に移動可能なコアの周りを円形経路で巻いている。渦構成は、磁気抵抗センサ素子の実用的なサイズと検知層の厚さに対して、外部磁場の大きなマグニチュード範囲において直線的で非ヒステリシス的な挙動を提供する。このように、渦構造は磁気センサ用途に有利である。
渦ベースの磁気抵抗センサは通常、低磁場、例えば１００ｍＴ以下の外部磁場で動作する。渦ベースの磁気抵抗センサの性能は、高磁場にさらされた後、しばしば変化する。なぜなら、そのような高磁場は、センサ自由層の磁化を十分に飽和させ、渦の構成がもはや存在しなくなるからである。この渦の消滅又は「追い出し」は、例えば、磁気信頼性試験でよく使用される２００ｍＴ超の磁場で発生する可能性がある。渦を利用した磁気抵抗センサがこのような高磁場にさらされると、低磁場におけるセンサの磁気配置の詳細が変更される可能性があり、そのため低磁場計測における精度を低下させるゼロ磁場オフセットシフトに悩まされる傾向がある。
特許文献１は、外部磁界に応答してそれぞれの第１及び第２出力信号を生成するように構成された第１及び第２磁気抵抗センサ素子を備えるセンサを開示している。第１及び第２の磁気抵抗センサ素子は勾配ユニットを形成し、磁気抵抗センサ素子の各々は渦磁化パターンを持つ検知層を備える。処理回路はセンサ素子に結合されていて、勾配ユニットの第１及び第２磁気抵抗センサ素子の第１及び第２出力信号間の差として差動出力信号を生成するように構成されている。このシステムは、外部磁界を生成するエンコーダと、１つ又はそれより多い勾配ユニットを持つセンサとを備え、勾配ユニットは、２次勾配検知構成で配置可能である。
特許文献２は、基板と基板上の積層構造を備える磁気トンネル接合装置を開示している。
特許文献３は、磁性膜の積層が、複数の強磁性層（隣り合う２層の強磁性層は非磁性層を介して反強磁性的に結合している）を含む合成反強磁性体と、強磁性を示す反転誘起層とを備えることを開示している。
特許文献４は、検知層が磁気抵抗センサ素子のトンネル磁気抵抗の温度依存性を補償する磁気抵抗センサ素子を開示している。
本開示は、固定された基準磁化を備える強磁性基準層と、自由検知磁化を備える強磁性検知層との間に備わるトンネル障壁層を備える、磁気抵抗効果素子に関する。検知磁化は、強磁性材料組成を備え、印加磁場の非存在下で安定した渦構成を備える。強磁性材料組成は、検知層の検知磁化及び強磁性交換強度がトンネル障壁層から離れるよりもトンネル障壁層の近くで高くなるように、検知層の厚さにわたって変化する。
本開示はさらに、複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサ装置に関する。
当該技術分野で知られているものに関して、本明細書で開示する磁気抵抗素子は、高い感度を持ちながら、ゼロ磁場オフセットシフトが低減されている。この磁気センサ装置は、公称性能を大きく変化させることなく、高磁場に露呈可能である。
本発明の例示的な実施形態が、本明細書に開示され、図面によって示されている。
図１を参照すると、実施形態による磁気抵抗素子２が表されている。磁気抵抗素子２は、固定された基準磁化２１０を備える強磁性基準層２１と、自由な検知磁化２３０を備える強磁性検知層２３との間に備わるトンネル障壁層２２を備える。検知磁化２３０は、基準磁化２１０が実質的に乱されないまま、その平均磁化を外部磁場６０中で配向させられる外部磁場６０は、磁気抵抗センサ素子２の抵抗値を計測することで検知される。抵抗値は、基準磁化２１０に対する検知磁化２３０の平均配向に依存する。
好ましい１構成では、検知磁化２３０は、印加磁場の非存在下で安定した渦構成を備える。この渦構造は、検知層２３の縁に沿って、コア２３１の周りに円形の経路をたどる磁化で構成され、コアの位置は外部磁場６０に従って可逆的に移動可能である。磁気抵抗センサ素子２の所与の横方向寸法に対して、検知層２３の厚さは、検知層２３が印加磁場のない状態で安定した渦構成の磁化を備えるように選択される。
図１の例では、基準磁化２１０は、基準層２１の平面内で実質的に長手方向に配向している。磁気抵抗素子２は、基準層２１を交換結合するように構成された基準ピン止め層２５を備えてもよい。基準ピン止め層２５が存在する場合、基準磁化２１０の配向は、基準ピン止め層２５と基準層２１との間の交換結合（交換バイアスの発生）によって決定される。基準ピニング層２５は、反強磁性体（ＡＦＭ）を備え得る。基準層２１は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）を備え得る。
一実施形態では、検知層２３は強磁性材料を備える、又は強磁性材料で形成される。強磁性材料の化学組成は、トンネル障壁層２２に近い磁化の高い組成から、トンネル障壁層２２から離れた磁化の低い組成まで、検知層２３の厚さにわたって変化する。
強磁性材料の特定の化学組成は、高感度磁化２３０を提供する。ここで、「磁化」という表現は、「飽和磁化」又は「自発磁化」に対して区別なく使用され、飽和磁化は、最大誘導磁気モーメントの通常の意味を備える。高い検知磁化２３０をもたらす強磁性材料組成は、高い強磁性交換強度を提供する。強磁性交換強度は、検知磁化２３０を変化させることによって、ひいては強磁性材料の化学組成を変化させることによって調整できる。
検知層２３の厚さにわたって強磁性材料組成が変化することにより、検知層の厚さにわたって磁気特性が変化する。ここで、検知層２３は、検知層２３の検知磁化２３０及び強磁性交換強度が、トンネル障壁層２２から離れるよりもトンネル障壁層２２の近くで高くなるように構成されている。
図２に示される一観点では、強磁性材料組成は、検知層２３の厚さにわたって組成勾配を備える。組成勾配は、検知層２３の厚さにわたって線形又は非線形であり得る。ここで、検知層２３は、組成勾配を備える単一の層を備えるように形成し得る。
図３に示す別の観点では、検知層２３は多層構造を備える。多層構造は、トンネル障壁層２２に近く、高い磁化をもたらす化学組成を備える第１副層２３２ａを備え得る。多層構造は、トンネル障壁層２２から離れ、低い磁化をもたらす化学組成を備える第２副層２３２ｂをさらに備えてよい。
多層構造は、２つ以上の副層を備えてもよい。図４の例では、検知層２３は、トンネル障壁層２２に近く、高い磁化をもたらす化学組成を備える第１副層２３２ａを備える。検知層２３はさらに、トンネル障壁層２２から離れ、低磁化をもたらす化学組成を持つ第２副層２３２ｂを備える。中間副層２３２は、第１副層２３２ａ及び第２副層２３２ｂの間に含まれる。中間副層２３２は、副層の厚さにわたって変化するか又は一定である強磁性材料組成を備え得る。中間副層２３２の強磁性材料は、第１副層２３２ａの強磁性材料の磁化よりも低く、第２副層２３２ｂの磁化よりも高い磁化をもたらす化学組成を備え得る。
図５は、多層構造が、３つより多い副層２３２、２３２ａ、２３２ｂを備える検知層２３を示す。強磁性材料組成は、各副層２３２、２３２ａ、２３２ｂの厚さにわたって一定であり得る。このような構成では、トンネル障壁層２２に近い検知層２３の領域とトンネル障壁層２２から離れた検知層２３の領域との間の強磁性材料の化学組成の変化は、異なる副層２３２、２３２ａ、２３２ｂの間で強磁性材料の化学組成を変化させることによって得られる。代替的に、強磁性材料の化学組成を、各副層２３２、２３２ａ、２３２ｂの厚さにわたって、もしくは多層構造に備わる副層２３２、２３２ａ、２３２ｂのうちの１層の少なくとも厚さにわたって、変えてよい。
第１副層２３２ａ及び第２副層２３２ｂの各々は、副層２３２ａ、２３２ｂの厚さにわたって一定の組成を備え得る。ここで、強磁性材料の磁化の変動は、第１副層２３２ａがより高い磁化をもたらす化学組成を持ち、第２副層２３２ｂがより低い磁化をもたらす化学組成を備えることによって得られる。
代替的に、第１副層２３２ａ又は第２副層２３２ｂの少なくとも一方、もしくは第１副層２３２ａ及び第２副層２３２ｂの両方は、副層の厚さにわたって変調される強磁性材料組成を備え得る。
図１から図５では、トンネル障壁層２２に近い検知層２３の第１部分を数字２３ａで示し、トンネル障壁層２２から離れた検知層２３の第２部分２３ｂを数字２３ｂで示す。全ての構成において、強磁性材料の組成は、トンネル障壁層２２の近く（第１部分２３ａ）で高い磁化をもたらす組成から、トンネル障壁層２２から離れたところ（第２部分２３ｂ）で低い磁化をもたらす組成まで、検知層２３の厚さにわたって変えてある。
いくつかの実施形態では、検知層２３の第１部分２３ａにおける検知磁化２３０は、検知層２３の第２部分２３ｂにおける検知磁化２３０よりも少なくとも３０％高い。第１及び第２部分２３ａ、２３ｂは、検知層２３の厚さの約３分の１に対応し得る。（図１から図５の例示的な構成のような）検知層２３の構成に応じて、第１及び第２部分２３ａ、２３ｂは、単層で構成され得るか、又は検知層２３の多層構造の１層より多い副層のうちの１層を包含し得る。
いくつかの実施形態では、基準層及び検知層２１、２３は、コバルト（「Ｃｏ」）、鉄（「Ｆｅ」）又はニッケル（「Ｎｉ」）ベースの合金、優先的にはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢベースの合金のような強磁性材料を備え得るか、又はそれら強磁性材料で形成され得る。基準層２１は、２ｎｍから１０ｎｍの間の厚さを備え得る。基準及び検知磁化２１０、２３０は、層２１、２３の平面に実質的に平行（図１に示すように面内）であることと、層２１、２３の平面に実質的に垂直（面外）であることとの少なくとも一方である磁気異方性を持ち得る。
トンネル障壁２２は絶縁材料を備え得る。好適な絶縁材料としては、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）などの酸化物が挙げられる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍのようなｎｍの範囲にできる。
好ましい１実施形態では、検知層２３は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢをベースとする合金の単独又は組み合わせを含む強磁性材料を備えるか、又はそれらから形成される。
一実施形態では、強磁性材料はＣｏＦｅとＮｉＦｅ基合金を含む混合物を備え、ＮｉＦｅに対するＣｏＦｅの濃度がトンネル障壁層２２の近くで高く、トンネル障壁層２２から離れると低くなる。一観点では、検知層２３は、強磁性材料組成が、トンネル障壁層２２の近傍ではＮｉＦｅ基合金の濃度よりも高いＣｏＦｅ基合金の濃度から、トンネル障壁層２２から離れるとＮｉＦｅ基合金の濃度よりも低いＣｏＦｅ基合金の濃度まで、検知層２３の厚さにわたって変化するように構成できる。別の観点では、ＮｉＦｅに対するＣｏＦｅの濃度は、第１部分２３ａにおいてより高く、第２部分２３ｂにおいてより低くできる。一観点では、第１部分２３ａの強磁性材料組成は、少なくとも９５体積％のＣｏＦｅ系合金を備え得、第２部分２３ｂは、少なくとも９５体積％のＮｉＦｅ系合金を備え得る。さらなる観点では、第１部分２３ａは、検知層２３の厚さの約７５％の厚さを備えてよく、第２部分２３ｂは、検知層２３の厚さの約２５％の厚さを備える。第１部分２３ａと第２部分２３ｂとの異なる厚さの比もまた企図され得る。
再び図２を参照すると、磁気抵抗素子２は、検知層２３とトンネル障壁層２２との間に界面層２４を備え得る。界面層２４は、磁気抵抗素子２のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を増加させるように構成される。より詳細には、界面層２４は、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ合金を備え、１ｎｍから３ｎｍの間の厚さを備え得る。好ましくは、トンネル障壁層２２はＭｇＯを備える。
図６は、横方向寸法（直径）が４５０ｎｍで、ＭｇＯトンネル障壁層２２、ＳＡＦ構造を備える基準層２１、及び面内参照磁化２１０を備える磁気抵抗効果素子について計測した実験データを報告している。基準磁化２１０は反強磁性層２５によって固定されている。計測は、検知層２３の厚さにわたって一定の強磁性材料組成を持ち、５０体積％のＣｏＦｅ及びＮｉＦｅをベースとする合金（Ａ）又は７５体積％のＣｏＦｅ及びＮｉＦｅをベースとする合金（Ｂ）を備える検知層２３について実施された。計測は、検知層２３の厚さにわたって強磁性材料組成を変化させ、トンネル障壁層２２の近傍にＣｏＦｅ（Ｃ）を７５体積％備える検知層２３についても行った。
図６は、ＮｉＦｅ基合金の体積割合に対してＣｏＦｅ基合金の体積割合が増加すると、感度が全検知磁化２３０とともに減少することを示している。層厚にわたって一定の強磁性材料組成を持ち、７５体積％のＣｏＦｅ基合金を備える検知層２３の場合、約１．７５ｍＶ／Ｖ／ｍＴの感度と、５ｍＶ／Ｖを中心とするオフセットシフトが計測された。検知層２３が、層厚にわたって変化する強磁性材料組成を持ち、第１部分２３ａが約７５体積％のＣｏＦｅの強磁性材料組成を備える場合、層厚にわたって一定の強磁性材料組成を持ち、７５体積％のＣｏＦｅベースの合金を備える場合に計測された感度と同様の感度が計測される。しかし、はるかに低いオフセットシフト（０ｍＶ／Ｖ付近を中心とする）が計測される。
検知層２３の厚さにわたって変えてある強磁性材料の組成を備える検知層２３は、種々の製造方法を用いて得られる。例えば、検知層２３は、連続的な合金化、多層膜の形成、非磁性材料との合金化又は積層化、非磁性材料との合金化又は積層化のような積層化と合金化の組み合わせを使用して形成できる。検知磁化２３０及び強磁性交換強度を低下させる１つの方法は、非磁性遷移金属による強磁性材料の希釈である。検知層２３の厚さにわたる強磁性材料の組成勾配は、厚さにわたる希釈の勾配を持つ単相強磁性材料内に得られる。検知層２３の好ましい製造方法には、積層及び共析が含まれる。
堆積法には、化学気相成長法（ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなど）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）、スパッタリング法（ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリングなど）が含まれる。
図７に示す実施形態では、磁気センサ装置５０は、複数の磁気抵抗素子２を備える。図には、磁気センサ装置５０がフルブリッジ構成で配置されているが、磁気センサ装置５０の他の構成、例えばハーフブリッジも考えられる。
本明細書で開示する磁気抵抗素子２は、良好な感度を持ちながら、ゼロ磁場オフセットシフトが低減されている。磁気抵抗素子２は、磁気センサ装置が高磁場にさらされた後でも、低減されたゼロ磁場オフセットシフトを備える磁気センサ装置に有利に使用できる。例えば、磁気センサ装置は、その公称性能を大きく変化させることなく、磁気信頼性試験中に使用される２００ｍＴを超える磁場のような高磁場に露呈可能である。
２ 磁気抵抗素子
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層
２３ａ 検知層の第１部分
２３ｂ 検知層の第２部分
２３０ 検知磁化
２３１ コア
２３２ 副層
２３２ａ、２３２ｂ 副層
２４ 界面層
２５ 反強磁性層
５０ 磁気センサ装置
６０ 外部磁場
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層
２３ａ 検知層の第１部分
２３ｂ 検知層の第２部分
２３０ 検知磁化
２３１ コア
２３２ 副層
２３２ａ、２３２ｂ 副層
２４ 界面層
２５ 反強磁性層
５０ 磁気センサ装置
６０ 外部磁場
Claims (15)
- 固定された基準磁化（２１０）を持つ強磁性基準層（２１）と、自由な検知磁化（２３０）を持つ強磁性検知層（２３）との間に備わったトンネル障壁層（２２）を備える、磁気抵抗素子（２）であって、
前記検知磁化（２３０）は、強磁性材料組成と、印加磁場の非存在下で安定した渦構成とを備える、前記磁気抵抗素子（２）において、
前記検知層（２３）の検知磁化（２３０）及び強磁性交換強度が、前記トンネル障壁層（２２）から離れているところよりも前記トンネル障壁層（２２）の近くで高くなるように、前記強磁性材料組成が、前記トンネル障壁層（２２）の近くで高い磁化を持つ組成から前記トンネル障壁層（２２）から離れるほど低い磁化を持つ組成まで、前記検知層（２３）の厚さにわたって変えてあることを特徴とする、磁気抵抗素子（２）。 - 前記強磁性材料組成は、前記検知層（２３）の厚さにわたって組成勾配を持つ、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
- 前記検知層（２３）は、前記トンネル障壁層（２２）に近く、より高い磁化を持つ組成を持つ第１副層（２３２ａ）と、前記トンネル障壁層（２２）から離れ、より低い磁化を持つ組成を持つ第２副層（２３２ｂ）とを備える多層構造を備える、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
- 前記多層構造が、２層より多い副層（２３２ａ、２３２ｂ、２３２）を備える、請求項３に記載の磁気抵抗素子。
- 各副層（２３２、２３２ａ、２３２ｂ）は、前記副層の厚さにわたって一定の組成を持ち、前記一定の組成が、異なる副層（２３２、２３２ａ、２３２ｂ）の間で変わっている、請求項３又は４に記載の磁気抵抗素子。
- 前記副層（２３２、２３２ａ、２３２ｂ）の少なくとも１層は、副層の厚さにわたって変わる組成を持つ、請求項３又は４に記載の磁気抵抗素子。
- 前記トンネル障壁層（２２）に近い前記検知層（２３）の第１部分（２３ａ）の前記検知磁化（２３０）は、前記トンネル障壁層（２２）から離れた前記検知層（２３）の第２部分（２３ｂ）の前記検知磁化（２３０）よりも少なくとも３０％高い、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第１部分及び前記第２部分（２３ａ、２３ｂ）は、前記検知層（２３）の厚さの約３分の１に相当する、請求項７に記載の磁気抵抗素子。
- 前記強磁性材料は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ又はＮｉＦｅをベースとする合金を含有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記強磁性材料は、ＣｏＦｅとＮｉＦｅをベースとする合金を含有し、ＮｉＦｅに対するＣｏＦｅの濃度は、前記トンネル障壁層（２２）の近くで高く、前記トンネル障壁層（２２）から離れると低くなる。請求項９に記載の磁気抵抗素子。
- ＮｉＦｅに対するＣｏＦｅの前記濃度が、前記第１部分（２３ａ）でより高く、前記第２部分（２３ｂ）でより低い、請求項７及び１０に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第１部分（２３ａ）は、前記検知層（２３）の厚さの約７５％の厚さを持つ、請求項１１に記載の磁気抵抗素子。
- 前記磁気抵抗素子が、前記検知層（２３）と前記トンネル障壁層（２２）の間の界面層（２４）を備え、前記界面層（２４）が、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ合金を含有し、１ｎｍから３ｎｍの間の厚さを備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子（２）を複数備えた磁気センサ装置。
- ハーフブリッジ又はフルブリッジの構成に配置された、請求項１４に記載の磁気センサ装置。
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